Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Tehnologii criogenice
Producerea temperaturilor joase
•Refrigeratoare criogenice recuperative.
Joule-Thomson. Brayton. Claude.
Refrigeratoare criogenice regenerative.
Stirling. Gifford-McMahon. Tub pulsator.
Tehnici de răcire
• 4 metode pentru răcirea unui fluid: 1. Efectuarea de lucru mecanic intern (împotriva
forţelor intermoleculare)- destinderea pe o supapă-
efect Joule-Thomson (izentalpică)
2. Efectuarea de lucru mecanic extern-pe un piston
sau pe o turbină (-destindere izentropică)
3. Răcirea cu un alt fluid prin intermediul unui
schimbător de căldură
4. Reducerea presiunii şi în consecinţă a temperaturii
unui fluid saturat.
„refrigerator criogenic” („cryocooler”, criogenerator) refrigeratoar de gabarit redus sau
mediu, capabil de a atinge temperaturi situate sub 120 K şi cu puteri frigorifice cuprinse
între 0,1 W şi câteva sute de W, la un nivel de temperatură specificat.
pot fi utilizate în instalaţiile de lichefiere/relichefiere a gazelor, sau în aplicaţii în
care utilizarea gazelor lichefiate nu este posibilă (sau eficientă).
refrigeratoarele miniaturale, utilizate în aplicaţii militare, cum ar fi vederea pe timp de noapte sau autoghidarea rachetelor (pentru care e necesară răcirea unui detector în infraroşu la temperaturi situate în jur de 80 K).
Aplicaţia comercială cea mai extinsă a refrigeratoarelor criogenice este răcirea criopompelor utilizate în industria semiconductorilor pentru obţinerea unui vid suficient de curat şi de înalt pentru producerea circuitelor integrate pe scară foarte largă.
din anul 2000 au început să se producă, în serie, criostate cu magneţi supraconductori care nu mai sunt răciţi cu heliu lichid, ci cu refrigeratoare criogenice („cryogen free superconducting magnets”)
Aplicaţiile se extind în medicină (criochirurgie, crioterapie), în tehnica spaţială, în energetică, în tehnica de calcul, în cercetarea ştiinţifică etc.
fiabilitatea, eficienţa, vibraţiile, dimensiunile şi greutatea, căldura degajată, interferenţa electromagnetică, costul.
transferul căldurii, în sens invers celui natural, adică de la rece (TR) la cald (T0).
ciclu termodinamic inversat
WQQ R 0
princ. I
princ. II
R
R
T
Q
T
Q
0
0
capacitatea frigorifică- căldura extrasă în unitatea de timp-(Watt).
Un refrigerator criogenic care furnizează o capacitate frigorifică de 1 W la 20 K este foarte
diferit de unul cu o capacitate frigorifică de 1 W la 80 K.
refrigerator
Coeficientul de performanţă (COP) al unui refrigerator se defineşte ca raportul:
alimentare de puterea
ăfrigorific acapacitateCOP
(puterea absorbită)
Ciclul termodinamic ideal, cu cea mai ridicată eficienţă este ciclul Carnot inversat.
Q =T SR RD
W = Aria ciclu lui
12
3 4
T 0
TR
T
S0
STQ RR D
STTW R D )( 0
0
20
40
60
80
100
10 100W
/QR
TR(K) R
R
R
R
TT
T
STT
STCarnotCOP
DD
00
)(W
QR
R
R
T
TT )( 0 alimentare de puterea
oruluirefrigerat aă frigorific acapacitate
Carnot COP
real COPeficienţa
Pentru întreaga gamă de refrigeratoare criogenice care se execută
în prezent, eficienţa acestora este cuprinsă între 1% şi aproape
50%.
Refrigeratoarele miniaturale au eficienţele cele mai reduse, sub
20%, din cauza ireversibilităţilor crescute în cazul sistemelor de
dimensiuni reduse.
Domeniul 20% - 50% este caracteristic sistemelor mari utilizate
în lichefactori.
Refrigeratoarele cu compresie de vapori, frigiderele casnice obişnuite, s-au dezvoltat începând din
secolul al 19-lea, răspunzând la cea mai mare parte a necesităţilor de refrigerare ale secolului 20.
pot produce temperaturi joase până la 230 K (-430C), cu un agent frigorific (refrigerant)
corespunzător.
Au eficienţe frigorifice mult mai mari decât refrigeratoarele criogenice
Refrigerantul de exemplu: freon CFC, hidrocarburi, dioxid de sulf, amoniac, dioxid de carbon etc.)
2
3
45
1Compresor
Condensator
Ventil de expansiune
Vapori atorz
Incinta frigorifică
Q
S
P
T
Vapori
L ichid+vapori
L ichid
1
5
4 3
2
Schema principiului de funcţionare a unui refrigerator clasic cu compresie de vapori.
Refrigeratoare criogegnice recuperative
•utilizează schimbătoare de căldură recuperative-flux constant de refrigerant
• se recuperează entalpia de la un curent de fluid la celălalt
•contracurent •echicurent •curenţi încrucişaţi
schimbătoare de căldură (SCH): SCH în contracurent au eficienţa mai ridicată
rece
cald
Th. Flynn, Cryogenic Engineering
SCH contracurent
(d)
cryocourse.grenoble
Flynn
Efectul Joule-Thomson
Pi, Ti
Pf
Pf < Pi
h =const
DT≠0
lucru mecanic intern
proces la entalpie constanta
izentalpe
cryocourse.grenoble
S. W. van Sciver, Helium Cryogenics
Două tipuri de ventile Joule-Thomson: (a) dop poros şi (b) supapă cu ac, controlabilă (needle valve lb. engl.)
Pentru un gaz ideal, energia internă depinde numai de temperatură, şi pentru un kilomol de gaz PV = RT, atunci entalpia:
RTTUPVTUH )()(
în cazul destinderii unui gaz ideal nu apare nici o schimbare a temperaturii
Pentru un gaz real, descris de eg. , de ecuaţia de stare Van der Waals apare însă o schimbare a temperaturii în urma destinderii. Coeficientul Joule-Thomson:
HJT P
T
pozitiv sau negativ funcţie de tipul forţelor (de atracţie sau de respingere) intermoleculare.
Un efect Joule-Thomson pozitiv va însemna răcirea gazului prin destindere,
iar unul negativ va conduce la încălzire.
coeficientul Joule-Thomson
gaz ideal
temperatura de inversie
PT T
V
P
S
dG=-SdT+VdP
derivata mixta de ordinul doi
vezi cryocourse.grenoble
T
p =
co
nst.
1p
= c
onst.
2
Cf
S
3
1
2
AA E
B
D
4
IZENTALPE
Linii de entalpie constant
ă
Curba de inversie
Temperatura maximă de inversie
JT > 0
JT < 0
PRESIUNET
EM
PE
RA
TU
RA
Diagrama T – S pentru un gaz real (a) şi curba de inversiune (b).
vezi şi I. G. Deac, Elemente de criogenie
Azot
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Ts_diagram_of_N2_02.jpg
Gazul Temperatura maximă de inversie (K)
oxigen 761 argon 794 azot 621 aer 603
neon 250 hidrogen 205
heliu 45
cryocourse.grenoble
destindere izentropică destindere reală destindere Joule-Thomson (laminare)
M-N
căldura necesară pt a lichefia y:
H2-H3= (1-y)(H1-h5)
H3= yHf+(1-y)H5
laminarea este izentalpica
DH= Q - W
-W = -Q+DH= T1(S1-S2) +(H1-H2)
pt. comprimarea izotermă
Efectul Joule-Thomson a fost utilizat pentru prima dată la lichefierea aerului în 1895,
aproape simultan şi independent de către von Linde şi Hampson.
gazul este adus, prin destindere JT, sub curba de saturaţie, unde o parte se află sub formă
lichidă.
Th. Flynn, Cryogenic Engineering
1. DTJ-T < DTS
2. amestec de faze lichid-gaz -fără probleme
3. sub temperatura de inversie
4. Simplu
5. presiuni mari
Posibiltăţi extreme de miniaturizare
aplicaţii militare răcirea detectorilor în infraroşu
Butelie pentru stocarea gazului de
înaltă presiune
Vas Dewar
Fereastră optică
Filtru
Electrovalvă de control
Schimb tor de nervurat
(de tip Hampson)
ăăldurăc
Detector
Ie şire vapori
Etanşări
Ventil JT
I.G. Deac, Elemente de criogenie
puteri frigorifice reduse: mW – 1 W
Schimbătorul de căldură în contra-curent se realizează din tuburi capilare metalice (aliaj Cu-Ni) cu
diametrul exterior mai mic de 0,5 mm şi cel interior de circa 0,25 mm. Tuburile capilare sunt
nervurate (pentru a creşte eficienţa schimbului de căldură) şi sunt înfăşurate în spirală pe un
suport. Lungimea tipică a schimbătorului de căldură este în jur de 40 mm şi diametrul acestuia
este mai mică de 5 mm.
Schimbătorul de căldură se introduce într-un vas Dewar la capătul căruia se află senzorul care
trebuie răcit.
exemple de refrigeratoare JT rapide ale firmei Hymatic Co, UK
Eficienţa frigorifică poate fi crescută prin utilizarea unor amestecuri de gaze alături de azot şi componente ca metan, etan şi propan, care să facă fluidul să aibă o
comportare cât mai „reală” pe un domeniu mai larg de lucru. creşterea entropiei de câteva ori, în timp ce temperatura de funcţionare poate fi menţinută în
jur de 77 K, cu o destindere de la o presiune de doar 25 bar. ex, un amestec care conţine 36 % moli de azot, 20 % moli de metan, 12 % de etilenă, 20 de
moli de propan, şi 12 % moli de izobutan pot da o putere frigorifică de 1 W la 80 K sau 10 W la 93K la o presiune de 2 MPa generată de un compresor care absoarbe 400 W.
• aplicaţii şi în alte domenii cum ar fi cele medicale în care se urmărea aplicarea locală a unor
temperaturi joase, în dermatologie, crio-chirurgie, ginecologie, neurologie etc.
• aplicaţii în cazurile răcirii şi a altor senzori de radiaţie sau în cazul aplicaţiilor spaţiale.
• utilizarea destinderii Joule-Thomson în treptele finale de răcire în cazul lichefierii heliului (şi
hidrogenului), când gazul supus lichefierii este răcit prin alte procedee la temperaturi situate sub
curba de inversiune.
Răcirea prin destindere izentropică
T
p =
const
. 1
p =
con
st.
2f
S
IZENTALP
IZENTROP
DTJ-T < DTS
adiabatică
Q=TDS=0
DS=0
izentropică
Q = DU + L
Q =0, DU =-L= nCVDT
DT <0
turbodetentor
detentor cu piston
gaz ideal
destinderea adiabatica răcire http://cryocourse.grenoble.cnrs.fr/
Refrigeratoare criogenice de tip Brayton
efectul de răcire se obţine prin destinderea unui gaz, cu efectuare de lucru mecanic extern
Creşterea eficienţei prin înlocuirea destinderii J-T (a laminării) cu un detentor
DTJ-T < DTS
Refrigeratoare criogenice de tip Claude
•combină ciclurile JT şi Brayton •trei schimbătoare de căldură recuperative în contra-curent (ex, ţeavă-în-ţeavă în serpentină). •o fracţiune din gazul de lucru, este supus unei destinderi izentropice. •Gazul rece rezultat este trimis în contracurent ca să răcească fracţiunea de gaz rămasă şi care este supusă unei destinderi JT.
I.G. Deac, Elemente de criogenie
lagăre cu pernă de gaz lagăre ungere cu ulei
turbina
turbina
turbina
turaţia ~ 100.000 RPM
Linde
Turbine de la Air Liquide, Franţa
S
T
p =
con
st.
1
p =
con
st.
2
2 1
5
3
6
7
8
4
e 2
e 1
f g
G azom etru
Vas tam pon
P urificator de heliu
1
2
4
3
5
6
7
8
e 1
e 2
f
g
H eliu lich id
Ventil JT
D eten tor 1
D eten tor 2
com presor
CW
e1W
e2W
1em
2em
fm
)(f
mm
Diagrama şi schema de principiu pentru un lichefactor de heliu de tip Collins
I.G. Deac, Elemente de criogenie
Firma Air Liquide
Firma Linde
•În general, refrigeratoarele recuperative au dimensiuni şi puteri frigorifice
moderate sau mari (de la 10 W la zeci de kilowatti la 4,5 K),
•eficienţe termodinamice ridicate (10-30 %) şi costuri de ordinul 105-107 Euro.
•Sunt sisteme complexe şi necesită un suport tehnic considerabil.
•Cele mai mari astfel de sisteme se găsesc în laboratoarele care utilizează
acceleratoare de particule.
Maşini cu funcţionare după un ciclu închis- “cryocoolers”
R
R
R
R
TT
T
STT
STCarnotCOP
DD
00
)(W
QR
Q =T SR RD
W = Aria ciclu lui
12
3 4
T 0
TR
T
S0
FOM (figure of merit)
Un refrigerator Carnot ideal necesită 70 W (lucru mecanic-unit timp) ca să furnizeze o putere frigorifică de 1 W la 80 K. Un refrigerator real modern necesită 220 W ca să furnizeze o putere frigorifică de 1 W , FOM = 30% la 80 K
Ideal –ciclul Carnot inversat
Refrigeratoare criogenice regenerative
Refrigeratoarele criogenice regenerative utilizează, cel puţin un schimbător de căldură regenerativ, sau un regenerator, iar gazul de lucru are debitul şi presiunea oscilante
Un schimbător de căldură regenerativ –sau un regenerator- constă dintr-o matrice poroasă, având o capacitate calorică ridicată, (alcătuită de obicei dintr-un teanc de site sau sfere metalice) prin care gazul circulă alternativ într-un sens şi apoi în sens opus pe durata unui ciclu termodinamic.
cald
rece
gazul cald care intră transferă căldură matricii regenerative, în care căldura este stocată, în prima jumătate a ciclului În cea de-a doua jumătate a ciclului, gazul rece care se întoarce, culege căldura stocată acolo şi părăseşte regeneratorul la temperatura pe care a avut-o iniţial la curgerea în sens direct.
Refrigeratoarele criogenice de tip Stirling
Ciclul Stirling, a fost inventat de către reverendul Robert Stirling în 1815 în Scoţia şi a fost utilizat iniţial ca ciclu motor. •în 1861 Alexander Kirk, un alt scoţian, utilizează ciclul Stirling inversat pentru prima dată şi construieşte un refrigerator în care aerul era utilizat ca fluid de lucru. •în 1946 firma Philips din Olanda reuşeşte obţinerea temperaturii de 80 K cu un motor Stirling care a fost pus să funcţioneze pe ciclul inversat şi s-a reuşit astfel lichefierea aerului.
300 K
80 K
Volum V
Pres
iune
P
Spaţiu de detent
Regenerator
S comprimarepaţiu de
b)
Spaţiu de detent
a)
c)
d)
Compresie
R cire regenerativ
Detent
Înc lzire regenerativ
a
b
c
d
Pre
s iu
ne
Volum
TC
TR
ab
c d
TC
TR
Ciclul Carnot
Ciclul Carnot
TC
TR
Tem
pe
ratu
ra
Entropia
RC
R
C
R
TT
T
W
QCOP
http://www.youtube.com/watch?v=GqIapDKtvzc povestea de la Philips
Funcţie de aplicaţiile în care sunt utilizate, refrigeratoarele Stirling pot avea diferite configuraţii
A -r citoră
AA
R
R
D
D
C
C
P CP C
P D
P D
a) b) c)
R egenerator-r
A
C -spaţiu de com presie
D detent-spaţiu de ă
P -piston detentorD
P C -piston com presor
Scheme principiale pentru diferite configuraţii de refrigeratoare criogenice Stirling. a) rectangular; b) split; c) integral (cu cilindri coaxiali).
http://www.animatedengines.com/vstirling.html
http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engines/beta.html
http://newsjustforyou1.blogspot.ro/2012/09/free-energy-stirling-engine.html
Refrigerator criogenic miniatural pentru răcirea unor dispozitive electronice. 1 Cap de răcire; 2.Spaţiu de detentă; 3.Detentor; 4. Cilindru de detentă; 5. Etanşare; 6 .Aripioare pentru răcire; 7. Motor electric;8. Tub de legătură; 9. Regenerator; 10. Răcitor cu apă; 11. Spaţiu de compresie; 12. Pistonul compresor; 13 Arbore cotit; 14. Carter
Deac et al. ”Applications for Natural Refrigerants‘96” Aarhus, Denmark
I.G. Deac –Design and Performance Test of Miniature Stirling Cryocooler, Cryogenics, 34, 1994, pp. 191.
Refrigeratoarele de tip Stirling au fost utilizate cu mult succes în ultimii 50 de ani în aplicaţii militare tactice la răcirea detectorilor în infraroşu pe tancuri şi avioane, pentru termoviziune sau vedere pe timp de noapte. Miniaturizarea acestor refrigeratoare a fost dusă, poate până la extrem, realizându-se modele care cântăresc 100-300 g capabile de a avea puteri de răcire de 0,1 – 1 W la 80 K.
Schimbător de căldură
Piston detentor
320 K
60 K
20 K
Spaţiu de detentă treapta I
Regenerator treapta I
Spaţiu de compresie
Spaţiu de detentă treapta a II a
Regenerator treapta a II a
refrigerator de tip Stirling cu două trepte de răcire
I.G. Deac, Elemente de criogenie
Spaţiul de detentă
Piston detentor
Schimbător de căldură (fante)
regenerator
Schimbător de căldură (răcitor)
Spaţiul de compresie
Piston compresor
Reprezentare schematică a unui criogenerator Philips-Stirling utilizat la lichefierea azotului. I.G. Deac, Elemente de criogenie
Stirling Cryogenics BV
Refrigeratoarele criogenice de tip Gifford-McMahon
Sistemele de tip Stirling au frecvenţa de lucru ridicată (~ 1000 RPM) uzuri timp de buna functionare redus.
Pe la mijlocul anilor 1960 Gifford şi McMahon au arătat că oscilaţiile presiunii pentru
refrigeratoarele criogenice pot fi generate cu ajutorul unei supape rotative care poate comuta între
două surse de presiune, una de înaltă presiune (~ 20 bar) şi una de joasă presiune (~4 bar).
P iston detentor
S egm en ţi de etanşare
S arcina term ic ă
0Q
W
com presor
p 2
p 2
S upapă de in trare
S upapă deevacuare
Vas tam pon
R egenerator
Schema de principiu a unui refrigerator Gifford-Mc Mahon
•fecventa joasa: 1-2 Hz •ungere uscata la detentor, segmenti de etansare de teflon(PTFE)
Compresorul este o parte
separată a sistemului şi poate fi amplasat la o distanţă convenabilă de partea de răcire.
I.G. Deac, Elemente de criogenie
P I
P J
P I
P J
P J
P I
VV 1
P I
P J
P I
P J
P I
P J
a
b d
c
Detentor/regeneratorSpaţiu de expansiune
P J
P I
P J
P I
P J
P I
P J
P I
P J
P I
P J
P I
VV1VV1 V2 VV1 V2
VV1V2 VV1V2
Principiul de funcţionare al refrigeratorului Gifford-McMahon.
Gazul de lucru: Heliu (de obicei) !!!
I.G. Deac, Elemente de criogenie
într-o singură treaptă de răcire refrigeratoarele GM pot furniza circa 1 W putere frigorifică la 70 K
utilizând compresoare cu un debit, în jur de 5 m3N/h şi o putere de 1,5 kW. Modulul compresor, care este partea masivă a sistemului (cântărind în jur de 60 kg) are cam aceeaşi structură în toate cazurile şi furnizează 16-24 bari la refulare iar aspiraţia este la 3-8 bari.
sunt utilizate compresoare ermetice pentru freon (asemănătoare cu cele de la
frigiderele casnice), ca în aparatele de condiţionare a aerului
3
2
1
45 6
7
8
9
7
8
10
11
C ircuit de ulei
He de înaltă presiune
He de joasă presiune
12
Diagrama schematică a unui
modul compresor. 1-motorul
compresorului; 2-rezervor cu
ulei; 3-compresor; 4-răcire cu
aer (apă); 5- separator de ulei;
6-adsorber; 7-manometru; 8-
supapă; 9-supapă by pass; 10-
linie de umplere cu heliu; 11-
detentor GM; 12- motor electric.
I.G. Deac, Elemente de criogenie
Funcţionarea în două trepte de răcire
dubla destindere, sau funcţionarea în două trepte de răcire: o parte din gazul răcit în
prima treaptă se destinde şi se răceşte în treapta a doua
M otor de an trenare
C o m p r e s o rR cire cuAp
ăă /aer
Pasu l I Pasu l II
Pasu l IIIPasu l IV
Supapă
In tra re gaz de îna ltă
Ie gaz de joas
şireă
Spa ţiu de destindere
Spa ţiu de destindere
R egenera to r treap ta I
R egenera to r treap ta II
Treap ta I
Treap ta II
IP JP IP JP
IP JP IP JP
matricea regenerativă a treptei a doua este constituită din sfere de
plumb.
Temperatura minimă cca. 10 K !!!
I.G. Deac, Elemente de criogenie
Refrigeratoarele Gifford-McMahon au fost folosite, începând încă din 1980, pentru răcirea adsorbanţilor (din cărbune activ) din criopompe la 15 K.
Criopompele permit atingerea unui vid ultraînalt (10-8 - 10-10 mbar) prin „îngheţarea” tuturor
gazelor care au temperatura de solidificare peste 15 K şi adsorbţia celor reziduale.
10 K 10 K
80 K
site moleculare
senzor de temperatură
tub pt regenerare
obţinerea unui vid curat în
industria de dispozitive
semiconductoare a creat premizele
dezvoltării unei pieţe largi pentru
aceste sisteme, fiind cea mai
importantă aplicaţie a
refrigeratoarelor GM.
Intervalele tipice de întreţinere pentru unele astfel de refrigeratoare criogenice sunt de 1 sau 2 ani, ceea ce a devenit foarte convenabil pentru
utilizatori.
CTI Cryogenics
Începând din anii 1990, dezvoltarea regeneratoarelor din materiale magnetice care au căldura specifică ridicată la temperaturi situate sub 10 K, a permis creşterea puterii frigorifice a refrigeratoarelor criogenice regenerative, la temperaturi joase, permiţând obţinerea unor
temperaturi de lucru situate în domeniul celei de lichefiere a heliului
4He(1,6 MPa)
Er Ni3
Sfere de PbOţel inoxidabil
0
Sfere de Pb
10 20 30 40
0,0
0,2
0,6
0,8
1,0
1,2
0,4
Temperatura [K]
15 KMaterialele magnetice (în special compuşii pământurilor rare) pot avea călduri specifice mai mari decât cele ale materialelor nemagnetice sub 10 K, datorită anomaliei care apare în căldura specifică în regiunea tranziţiei de fază magnetice.
La temperaturi joase căldura specifică a tuturor materialelor tinde la zero, ajungând să fie mai mică decât cea a heliului. Astfel încât un schimb de căldură între heliu (gazul de lucru) şi aceste materiale nu mai poate conduce la răcire heliului.
Deac, Elemente de criogenie
Er Yb Ni0,9 0,1
0 10 20 30
0,0
0,2
0,6
0,8
1,0
1,2
0,4
Temperatura [K]
15 K
4He(1,6 MPa)
Er Co3
GdAlO3 Maxime puţin extinse faţă de cel al He
M ateria lu l cu ce l m ai m are T C
M ateria lu l cu ce l m ai jos T C
Cald
Rece
He gaz
4 K 20 KT
C
Regenerator multistrat
Deac, Elemente de criogenie
Er Yb N i0 ,9 0 ,1E r C o3
Er G d Ni0 ,7 5 0 ,2 5
C apătu l rece C apătu l ca ldx0 ,5 0 ,5 -x
Er Yb N i
50% , 279 g0 ,9 0 ,1
E r C o
25% , 138 g3 E r G d N i
25% , 137 g0 ,75 0 ,25C apătu l rece C apătu l ca ld
Prezentare schematică a structurii unui regenerator al treptei a doua de răcire
pentru un refrigerator GM cu funcţionare la temperaturi mai joase de 4 K Deac, Elemente de criogenie
600 mm
600 mm
700 mm
Treapta a Ila
Treapta I
Regenerator Il
Regenerator lCompresor
Cap de răcire200 mm
600 mm
Deac, Elemente de criogenie
Refrigeratoarele criogenice de tip tub pulsator
Majoritatea aplicaţiilor refrigeratoarelor criogenice necesită sisteme care să fie eficiente, să aibă o durată de funcţionare îndelungată, un cost redus şi să funcţioneze fără a interfera cu obiectul care trebuie răcit.
pistonul detentor este o sursă de vibraţii, are o durată de funcţionare limitată din cauza uzurilor
refrigeratorul de tip tub pulsator PTR (pulse tube refrigarator),
ciclu regenerativ închis şi cărui principală caracteristică este absenţa unei componente mobile la capătul rece
pistonul detentor (solid) al acestora este înlocuit cu un piston detentor de „gaz”
Oscilaţiile se produc într-un tub metalic-- gazul de lucru curge printr-un regenerator unde se stochează căldura pentru o jumătate de ciclu şi apoi este returnată în cealaltă jumătate de ciclu.
Valorile tipice ale presiunii medii a gazului de lucru sunt cuprinse între 10 şi 25 bar iar amplitudinea oscilaţiilor între 2 şi 7 bar.
PTR a fost inventat de către W. E. Gifford şi asistentul său L. C. Longsworth în 1963, varianta care în zilele noastre se numeşte BPTR (Basic Pulse Tube Refrigerator),
Tem
pera
tura
Regenerator
PoziţiaizentropicProces
Proces izobar
Proces izobar
CompresorCapătul
caldCap
receătul
Răcire cu aer/apă
1
Un element de volum de gaz
Tubul pulsator
Schema de principiu a refrigeratorului tub pulsator simplu (BPTR). Compresorul induce curgerea oscilatorie a gazului şi variaţiile presiunii în sistem. Este prezentat aici şi un volum elementar de gaz care schimbă căldură cu pereţii tubului şi transformările pe care le suferă.
În faza de temperatură şi presiune ridicate, are loc un transfer de căldură de la un volum elementar de gaz la perete, ceea ce face ca gazul să se răcească. în faza de temperatură şi presiune reduse volumul elemetar de gaz absoarbe căldură de la peretele tubului, evident într-o altă poziţie de-a lungul tubului. gazul transportă căldură de la rece la cald.
Cea mai joasă temperatură obţinută cu un BPTR a fost de 124 K, într-o singură treaptă de răcire şi 79 K pentru un refrigerator cu două trepte
Deac, Elemente de criogenie
În 1984, Mikulin şi colaboratorii tub pulsator cu orificiu OPTR (sau Orifice Pulse-Tube Refrigerator –OPTR).
Regenerator
Com presorCap ătu l
caldCap
receătu l
Răcire cu ae r/apă
Tubul pu lsator Rezervor
O rific iu
Cu un OPTR într-o singură treaptă de răcire, Mikulin a reuşit să atingă o temperatură de 105 K, utilizând aer ca gaz de lucru, în 1984.
în 1985, Radebaugh şi colaboratorii lui reuşesc să obţină o temperatură de 60 K cu un sistem asemănător, utilizând heliu ca gaz de lucru.
•frecvenţele de lucru între 5 şi 10 Hz
Perfecţionările ulterioare au condus la obţinerea unor modele care să atingă 20 K într-o treaptă şi chiar temperaturi sub 2 K în două trepte de răcire
Deac, Elemente de criogenie
Regenerator
Cap ătu lcald
Cap rece
ătu l
Tubul pu lsator
Rezervor
O rific iuRezervor
Rezervor
Com presor
În form ă de “U ” Coax ia l În-lin ie
Configuraţiile de bază utilizate în realizarea refrigeratoarelor OPTR
Deac, Elemente de criogenie
O 1 O 2
Reg
ener
ator
1R
egen
erat
or 2
Tub
ul p
ulsa
tor 1
Tubu
l pul
sato
r 2Tr
eapt
a I
Trea
pta
a II-
a
Q 1
Q 2
TC
T 1
T2
Rezervor
un tub pulsator îl prerăceşte pe un altul
Diagramă schematică a unui refrigerator OPTR în două trepte de răcire.
Deac, Elemente de criogenie
Reg
ener
ator
1
Reg
ener
ator
2Tu
bul p
ulsa
tor
1
Tub
ul p
uls
ato
r 2
Rezervor
Compresor
Ecran de radia ieţ
Valve deintraredublă
Orificii(Supape cu ac)
Supap ă rotitoare
Capătul recereapta It
Capătul recereapta It a I a
regeneratoare cu materiale magnetice
Schema de principiu a unui refrigerator criogenic OPTR cu intrare dublă în două trepte de răcire. Regeneratorul treptei a doua are
trei secţiuni, sfere de Pb, sfere de ErNi şi granule de ErNi0,9Co0,1.
puteri frigorifice de 1 W la 4 K, la treapta a doua de răcire şi 35 W la 45 K la prima treaptă.
vezi IGD”Elemente de criogenie” şi cryocourse.grenoble
Cryo course Grenoble
2nd stage and 1st stage combined 1.5W @ 4.2K with 40W @ 45K Lowest Temperature: 0W @ 2.8K